BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Coating

Coating atau pelapisan merupakan salah satu teknik perlakuan permukaan (surface treatment). Teknologi pelapisan ini dikembangkan untuk menunjang performa dari suatu komponen dengan mengaplikasikannya untuk tujuan tertentu tanpa mengganggu fungsi dari material substrat. Objek dari coating (substrat) berupa solid, karena coating diaplikasikan untuk memproteksi permukaan (surface) ketika permukaan tersebut berinteraksi dengan lingkungannya atau untuk tujuan lainnya seperti estetika.

Secara teknik, coating merupakan solusi untuk memproteksi permukaan dari keausan (wear), korosi (corrosion), degradasi termal, dan fenomena permukaan lainnya. Coating yang baik adalah yang mempunyai sifat good adhesion, substrat compatibility, dan low porosity. Selain itu, proses coating juga harus menyesuaikan dengan kondisi substrat seperti temperatur dan geometri. (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004)

Ada beberapa metode untuk mengcoating yaitu electro/electroless plating, thermal spray, Chemical Vapor Deposition (CVD), dan Physical Vapor Deposition (PVD). Karakteristik umum dari metode-metode tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Karakterisasi Umum Metode Coating (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004)

KarakteristikElectro/

electroless plating

Termal spray

CVD PVD

Biaya pemeliharaan rendah

rendah – sedang

sedangsedang –

tinggi

Biaya operasi rendahrendah – sedang

rendah – sedang

sedang – tinggi

Lingkungan saat proses

aqueous solution

atmospheric – soft vacuum

atmospheric –

medium vacuum

hard vacuum

Geometri coating

omnidirectional

line of sight

omnidirectional

line of sight

Ketebalan coating

sedang – tebal

10 µm-mm

tebal50 µm-

cm

tipis – tebal

0.1 µm-mm

Sangat tipis – sedang

Temperatur substrat rendah

rendah – sedang

sedang – tinggi

rendah

Adherence

mechanical bond kurang

baik – chemical

bond sangat baik

mechanical bond

baik

chemical bond

sangat baik –

diffusion bond

sangat baik

mechanical bond kurang baik –

chemical bond baik

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

Surface finish cukup kasar – glossy

kasar – halus

halus – glossy

halus – high

glossy

Material coating logam

powder/wire,

polimer, logam/keramik

logam, keramik, polimer

metal, keramik, polimer

2.2 Thermal Barrier Coating (TBC)

Thermal Barrier Coating adalah suatu jenis dari pelapisan (coating) keramik pada logam dimana digunakan untuk menghalang panas dari lingkungan sehingga struktur menjadi aman terhadap panas. (Padture, 2002). TBC ini juga berfungsi untuk mengurangi temperatur substrat dan meningkatkan daya tahannya terhadap oksidasi (Hengbei Zhao, dkk., 2003) Substrat biasanya digunakan sebagai bahan baku komponen mesin turbin gas dan mesin pembangkit daya berupa paduan logam berbasis nikel Ni dan kobalt Co (Hutchinson R.G., dkk., 2006) Sistem Thermal Barrier Coating telah digunakan secara luas untuk melindungi komponen mesin turbin gas dan mesin pembangkit daya agar tahan terhadap panas dan lingkungan yang fluktuatif (National Academy Press, 2006)

Sistem TBC ini tersusun atas tiga lapisan yang terdiri dari topcoat, thermal grown oxide (TGO) dan lapisan bond coat pada lapisan substrat paduan logam. Lapisan top coat berfungsi sebagai isolator panas dan TGO berfungsi sebagai lapisan tahan oksidasi dan perekat antara lapisan top coat dan bond coat. Sedangkan lapisan bond coat sendiri berfungsi sebagai pembentuk TGO dan memperkuat ikatan top coat dan substrat. Dimana reliability dan durability sistem TBC bergantung pada lapisan bond coat (Sudiro, 2008)

Dahulu, pelapisan pada paduan super dibentuk dengan lapisan logam alumunide pada permukaan jalur gas pada airfoil mesin turbin. Sebagai paduan dengan pengembangan temperatur dan kapabilitas cyclic, sistem pelapisan yang sesuai juga berkembang secara parallel. Pelapisan logam (alumunide, chromide, dan MCrAlY) melindungi paduan super dari faktor lingkungan yang agresif. Pelapisan keramik oksida mengisolasi substrat dari temperatur tinggi. (National Academy Press, 2006) Pada banyak aplikasi, TBC mengadung yttria-stabilized zirconia. TBC diaplikasikan ke bondcoat yang resistan terhadap oksidasi, khususnya MCrAlY yang didesain untk resistansi oksidasi temperatur tinggi (Smith and Boone, 1990). Platina pada pelapisan difusi alumunide telah diteliti mempunyai tujuan meningkatkan kemurnian pada lapisan alumina dengan menghalangi difusi dari logam refraktori yang ada pada substrat, meningkatkan kemampuan difusi pada alumunium dan meningkatkan formasi aluminium,

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

meningkatkan oksidasi selektif pada alumunium serta menurunkan koefisien aktifitas pada alumunium dalam pelapisan. Bondcoat berperan untuk menunda penyebab utama dalam kegagalan TBC yaitu oksidasi antarmuka antara coating dan substrat.

Gambar 2.1. Skematik Thermal Barrier Coating (G.Moskal, 2009)

Kelemahan utama dari TBC adalah dekohesi pada bond coat yang disebabkan oksidasi dan formasi dari Thermally Grown Oxide (TGO) (Keyvani, 2010).

2.3 Metode Thermal SprayThermal spray adalah istilah umum untuk suatu grup dari proses pelapisan

yang digunakan untuk melapiskan suatu material logam atau non logam pada suatu substrat dalam keadaan leleh atau semi leleh. Proses ini dikelompokkan menjadi 3 kelompok besar yaitu: flame spray, electric arc spray, dan plasma spray. (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004).

Gambar 2.2 Klasifikasi Proses Spray Termal (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004)

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

Keuntungan dari metode thermal spray ini adalah hampir semua material dapat didepositkan menjadi coating seperti logam, paduan, karbida, keramik oksida dan non oksida, refractory metals, plastik, cermets, dan komposit yang terdiri dari logam, keramik, dan plastik. Tebal coating yang dihasilkan bervariasi yaitu dari 50 µm sampai 6.5 mm (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004).

Proses spray termal termasuk nonatomistic yaitu proses ini tidak mendepositkan material dalam bentuk ion, atom, maupun molekul pada permukaan substrat melainkan dalam bentuk liquid droplets (tetesan) atau semi leleh atau partikel solid. Termal spray ini termasuk proses “line of-sight”, yaitu proyeksi aliran dari droplets didepositkan hanya pada permukaan yang secara langsung searah dengan aliran spray (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004).

Dalam termal spray, material dapat berupa serbuk, kawat, atau batang dapat dimasukkan ke dalam flame yang dihasilkan oleh spray gun, di mana material akan meleleh dan disemprot secara cepat menuju substrat yang akan dilapisi. Energi panas dan kinetik dari nyala api dapat diproduksi dengan pembakaran campuran bahan bakar gas dan oksigen, atau dengan menggunakan sumber daya listrik. Serbuk partikel ditembakkan ke substrat dengan kecepatan 50 sampai >1000 m/s. Dengan kecepatan dan temperatur partikel yang tinggi membual partikel yang menempel berbentuk pipih dan tipis (biasa disebut “splats”). Ketebalan dari splats ini umumnya berkisar 1 – 20 µm, dan setiap tetesan yang menempel tersebut membeku dengan kecepatan yang tinggi (>106 K/s untuk logam) untuk membentuk struktur yang halus dan seragam (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004). Skema proses ini dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.3 Skema Proses Thermal Spray (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004)

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

Gambar 2.4 Coating Thermal Spray (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004)Struktur yang dihasilkan dari termal spray ini adalah lamellar dan karakteristik

hasil coating ini dapat dilihat pada Gambar 2.6. Dari gambar tersebut terlihat adanya oksida yang ikut masuk. Oksida ini dihasilkan karena adanya interaksi antara partikel dan lingkungan selama proses deposisi. Selain itu terlihat juga adanya porositas. Porositas ini menyebabkan kohesi dari hasil coating buruk dan memungkinkan tingginya laju keausan dan korosi. Porositas umumnya dikaitkan dengan banyaknya partikel yang tidak meleleh pada hasil coating (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004). Kombinasi parameter sangat berpengaruh dalam menentukan kualitas coating.

Gambar 2.5 Parameter dan Variabel Proses Thermal Spray

Perbandingan dari macam-macam teknik pelapisan ditunjukkan dengan Tabel 2.2:

Tabel 2.2 Perbandingan Properti Beberapa Teknik Thermal Spray (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004).

Flame spray

HVOFAir

Plasma

Vacuum

Plasma

Jet

Temperatur jet, K 3500 5500 15000 12000

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

Kecepatan jet, m/s 50-100 500-1200300-1000

200-600

Particle feedTemperatur partikel (max), oC

2500 3300 >3800 >3800

Kecepatan partikel, m/s

50-100 200-1000200-800

200-600

Material feed rate, g/min

30-50 15-50 50-150 25-150

Deposit/coatingDensitas (%) 85-90 >95 90-95 90-99Kekuatan lekat, Mpa

7-25 68 <68 >68

Oksida Tinggi Sedang SedangTidak ada

2.4 Metode Plasma Spray

2.5 YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)Keramik Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) diaplikasikan pada thermal Barrier Coating

(TBC) sebagai termal insulator. Zirkonia pada tekanan ambien terdapat tiga bentuk polimorfi: monoklinik pada temperatur kamar, tetragonal pada temperatur yang lebih tinggi, dan kubik pada temperature yang lebih tinggi lagi (Ilavsky, 2000).

(1173 °C) (2370 °C) (2690°C)

Monoclinic Tetragonal Cubic Melt

Teknik transformasi zirkonia bergantung bergantung pada stabilisasi bentuk tetragonal temperatur tinggi (t) sehingga akhirnya akan menghasilkan zirkonia yang bersifat metastabil pada temperatur ruang. Stabilisasi parsial atau menyeluruh dicapai dengan penambahan oksida tertentu (Y2O3, MgO, CaO) pada zirkonia (Sulistijono dan Lukman, 2007).

Keramik zirkonia yang terstabilisasi dikelompokkan menjadi 3 yaitu TZP (Tetragonal Zirconia Polymorphy), PSZ (Partially Stabilized Zirconia), dan CSZ (Cubic Stabilized Zirconia). TZP disebut polikristal zirkonia tetragonal yang mengandung oksida paling sedikit sekitar 2-4 mol% Y2O3. Pembentukan dari serbuk PSZ dilakukan dengan proses siter dan densifikasi pada rentang temperatur fase tetragonal, sehingga ketika melalui pendinginan sampai temperatur kamar akan menghasilkan kristal tetragonal tunggal yang halus. PSZ merupakan zirkonia dengan stabilisasi sebagian pada fasa tetragonal umumnya pada kadar oksida 7-15 mol% Y2O3, ini menghasilkan struktur

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

tetragonal yang terdistribusi pada matriks kubik. CSZ berada pada komposisi Y2O3 > 15 mol%, dengan fase secara keseluruhan kubik.

ZrO2 yang distabilkan oleh Y2O3 (YSZ - Yttria stabilized Zirconia) merupkan salah satu material yang mempunyai konduktivitas termal yang rendah yaitu sekitar 2.3 W/mK dan koefisien termal ekspansi 11 x 10-6/oC yang dapat menurunkan thermal stress (G. Moskal, 2009).Material ini memiliki sifat: Temperatur melting yang tinggi 2700 oC Merupakan salah satu keramik dengan konduktivitas termal paling rendah, mampu

menurunkan temperatur permukaan material dasar, menaikkan temperatur operasi, mereduksi ketebalan lapisan keramik

Koefisien ekspansi termal yang tinggi, mereduksi stress akibat perbedaan termal ekspansi antara logam dasar dan coating keramik

Densitas rendah 6,4 g/cm3, sehingga massa yag dibutuhkan tidak terlalu banyak Modulus elastisitas rendah E=50 GPa, mereduksi termal stress Kekerasan yang tinggi 14 GPa, membuat YSZ menjadi material yang memiliki

ketahanan terhadap erosi dan impact(Moskal, 2010)

Gambar 2.6 Diagram Fase YSZ (Ilavsky,2000)

2.6 Bond Coat MCrAlYPenggunaan bond coat pada permukaan yang kasar memberikan kombinasi yang baik

terhadap metallurgical bonding. Selain karena adanya mechanical interlocking dengan adanya permukaan yang kasar juga karena sifat self-bonding yang dimiliki oleh bond coat. Self-bonding yang terjadi karena adanya interaksi secara mikroskopis antara substrat dan bond coat (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004).

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

Partikel panas yang ditembakkan menuju substrat menyebabkan temperatur substrat meningkat pada daerah interaksi partikel dengan substrat. Jika panas cukup tinggi untuk membuat substrat meleleh, reaksi fusi akan terjadi dalam bentuk alloy layer secara mikroskopik. Namun jika tidak terjadi melting, interaksi temperatur tinggi hanya terjadi secara difusi solid-state pada lapisan ikatan paduan (ASM Handbook of Thermal Spray, 2004).

Bond coat MCrAlY memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah sama seperti material keramik pada umumnya. Bond coat ini dapat mereduksi temperatur. Adanya kandungan aluminium dan kromium memberikan resistansi oksida dan korosi temperatur tinggi. Konten optimal dari bond coat tipe ini adalah kromium 5-38%, aluminium 8-13%, yttrium 0,5-1%, dan sisanya adalah komponen lain yaitu Ni. Pengaruh unsur-unsur yang ada pada MCrAlY adalah sebagai berikut: Kobalt memiliki kemampuan untuk mensubsitusi atom Ni secara mudah dan

meningkatkan ketahanan oksidasi, terutama pada lingkungan Sulfur. Cr menyebabkan terbentuknya oksida kromium (Cr2O3), yang menaikkan ketahan

oksidasi, dan mengurangi penggunaan Al guna untuk mendapatkan fase α-Al2O3. Yttrium menaikkan adhesivitas dari oksida yang terbentuk seperti α-Al2O3 (G.Moskal,

2009)

2.7 TGO (Thermally Grown Oxide)Thermally Grown Oxide (TGO) merupakan produk hasil reaksi pada Thermal

Barrier Coating (TBC). TGO adalah lapisan oksida tipis yang terbentuk di antara bond coat dan top coat. TGO terdiri dari komposisi utama yaitu α-Al2O3, Cr2O3, dan NiAl2O4. TGO merupakan faktor kunci untuk mengontrol lifetime dari TBC (Saremi, 2014). Meskipun lapisan ini tipis (3-10 µm) TGO ini memiliki densitas dengan energi yang tinggi yang dapat menyebabkan mekanisme perpatahan pada struktur (Evans, 2001).

Mekanisme terjadinya Thermally Grown Oxide ini adalah oksigen berdifusi dari pori-pori kemudian bereaksi dengan Al, Cr, atau Ni dari bond coat. TGO ini dapat tumbuh secara bertahap dan menyebabkan stress pada layer TBC yang dapat menyebabkan pemisahan atau membuat microcracks (Keyvani, 2010).

Mekanisme failure pada TBC akibat TGO adalah: Pertumbuhan TGO menginduksi adanya tegangan pada YSZ/TGO interface Terjadi propagasi lateral crack seiring thermal cycling yang diberikan Ketika lateral crack mencapai nilai kritis tertentu, coating gagal oleh mekanisme

delaminasi dan buckling

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

Gambar 2.7 Ilustrasi Failure TBC Akibat TGO (Evans, 2001)

2.8 Adhesivitas dari Struktur TBCKekuatan lekat dari TC terhadap BC dipengaruhi oleh adanya perubahan temperatur

kerja, hal ini karena adanya koefisien ekspansi termal yang berbeda antar TC dan BC menyebabkan adanya sistem tarik-menarik atau yang disebut Thermal Mismacthes (Sloof dan Nijdam, 2008). Disamping adanya Thermal Mismacthes kekuatan lekat dari TC juga ditentukan oleh adanya pengaruh dari lingkungan, misalnya saja terbentuknya lapisan TGO (Thermally Grown Oxide) diantara lapisan TC dan BC hal ini akan melemahkan kekuatan lekat dari TBC dan membuatnya mudah mengalami pengelupasan (Okazaki dkk., 2013).

Pengujian kekuatan lekat dari struktur TBC yaitu dengan menggunakan ASTM D4541 Portable Adhesion Tester pada Gambar 2.26 seperti yang dilakukan oleh Ridwan Sunarya (2013).

Gambar 2.8 Portable Adhesion Tester (ASTM D4541, 2009)

BAB II Tinjauan Pustaka

Proposal Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan

Metalurgi FTI-ITS

2.9 Inconnel 718 (Ni Based Superalloy)

Superalloy merupakan paduan logam yang bisa digunakan pada temperatur tinggi. Penamaan superalloy dikarenakan mempunyai kekuatan, ketahanan creep, kekuatan stress-rupture, dan ketahanan dan ketahanan oksida yang luar biasa pada temperatur tinggi (Sulistijono dan Lukman, 2007).

Superalloy berbasis Nikel adalah kelas yang tidak biasa dari material logam dengan kombinasi pengecualian dari tingginya kemampuan thermal, kekuatan, dan resistansi terhadap degradasi lingkungan korosi dan oksidasi. Material ini sering digunakan pada komponen pesawat terbang, dan mesin turbin generator tenaga serta mesin-mesin yang lainnya bekerja pada lingkungan yang menantang. Pengembangan logam paduan, dan proses sekitar 10 tahun belakangan ini telah menghasilkan sebuah paduan yang dapat menoleransi temperatur operasi rata-rata 1050oC

Inconel 718 merupakan paduan dengan kombinasi kekuatan, ketangguhan, dan resistansi terhadap pertumbuhan crack. Inconel 718 juga sering digunakan pada ruang pembakaran dan sela-sela mesin turbin dimana temperatur selalu berubah-ubah sehingga sangat dibutuhkan sifat tahan creep (Pollock dan Tin, 2006)

Gambar 2.10 Tabel komposisi paduan super basis Nikel komersial (Pollock dan Tin, 2006)

BAB II Tinjauan Pustaka